專利名稱：用于布里淵分布式光纖傳感器的高穩(wěn)定可調(diào)諧光源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高穩(wěn)定可調(diào)諧光源系統(tǒng)，特別是一種用于布里淵分布式光纖傳感器光源頻率跟蹤的高穩(wěn)定可調(diào)諧光源系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
分布式光纖傳感器是目前國內(nèi)傳感領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，具有靈敏度高，抗電磁干擾能力強(qiáng)，電絕緣性能好，化學(xué)穩(wěn)定性好，長距離分布式探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，能夠用于各種大型建筑、 工業(yè)領(lǐng)域溫度、應(yīng)變的監(jiān)測(cè)，具有廣泛的應(yīng)用前景。基于布里淵分布式光纖傳感器具有重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，可以在各種危險(xiǎn)環(huán)境中應(yīng)用，可以分布式傳感，可以免疫電磁干擾，并且抗化學(xué)腐蝕，在大多數(shù)情況下具有低生產(chǎn)成本的潛力并且可以連續(xù)的分布式監(jiān)控沿著傳感光纖監(jiān)控傳感光纖的溫度和應(yīng)力等優(yōu)勢(shì)，被用于石油管道，電力電纜等的壓力和溫度監(jiān)測(cè)，在最近十年引起了人們的廣泛興趣。布里淵散射信號(hào)的探測(cè)分為直接探測(cè)和相干探測(cè)。與直接探測(cè)相比，相干探測(cè)具有更高的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。但布里淵散射信號(hào)的頻率降低了 11GHz，如果將相干探測(cè)中的探測(cè)光作為本地振蕩器，布里淵散射信號(hào)和本地振蕩器的拍頻信號(hào)的頻率約為11GHz，位于最常用的傳統(tǒng)外差接收器的帶寬之外。這種相干探測(cè)需要一個(gè)帶寬為IlGHz的微波探測(cè)器，價(jià)格昂貴而且會(huì)帶來很高的噪聲。若將本地光頻移布里淵頻率量級(jí)(9-12GHZ)，就可以使用低射頻帶寬的探測(cè)器來探測(cè)。與傳統(tǒng)方法相比，這種方法有更高的靈敏度，更低的噪聲，并節(jié)省了相當(dāng)大的成本。為了解決這個(gè)問題，Jihong Geng, Mike Blake等人提出將探測(cè)光一部分通過電光調(diào)制后進(jìn)入傳感光纖來產(chǎn)生布里淵散射信號(hào)，另一部分用來泵浦一個(gè)光纖布里淵環(huán)形激光器用來作為本地光，本地光的頻率相對(duì)于探測(cè)光頻移非常接近布里淵頻率，因此用本地光來跟布里淵散射信號(hào)進(jìn)行相干探測(cè)，拍頻信號(hào)從微波范圍(IlGHz) 變?yōu)樯漕l范圍(< 500MHz)(參見在先技術(shù)[1] ^Distributed fiber temperature and strain sensor using coherent radio-frequency detection of spontaneous Brillouin scattering”，App 1. Opt. 46,5928 5932,2007)。由于本地光和探測(cè)光之間的頻率差不可調(diào)，Vladimir Kupershmidt，F(xiàn)rank Adams等人提出了用光學(xué)鎖相的方法使用OPLL將本地光頻移布里淵頻率量級(jí)(9-12GHZ)，就可以使用低的射頻帶寬的探測(cè)器來探測(cè)(參見在先技術(shù)[2] “Optical Phase lock loop with tunable frequency offset for distributed optical sensing Applications，，，SPIE. 7677，767700-1 767700-5，2010)。由于這種技術(shù)要用到兩個(gè)比較昂貴的窄線寬單頻激光器，Chris D. Rouse, Anthony W. Brown等人提出了采用兩個(gè)便宜的商用半導(dǎo)體DFB激光器進(jìn)行光學(xué)鎖相的方法，但是這種方法的穩(wěn)定性和精度不如前者(參見在先技術(shù)[3] :“Phase-locking of commercial DFB lasers for distributed optical fiber sensing applications，，，SPIE. 7753, 77532L-1 77532L-4, 2011)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種用于布里淵分布式光纖傳感器的高穩(wěn)定可調(diào)諧光源系統(tǒng)，該光源系統(tǒng)在相位鎖定時(shí)，本地激光器的相位和頻率會(huì)跟隨探測(cè)激光器的變化，且探測(cè)激光器是高性能窄線寬的光纖激光器，因此本地激光器光學(xué)性能會(huì)接近探測(cè)激光器，實(shí)現(xiàn)了線寬壓窄，在不損失精度和穩(wěn)定性的情況下，大大降低了成本；且在不需改變硬件的環(huán)境下，通過可編程計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)跟蹤頻率的調(diào)節(jié)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種用于布里淵分布式光纖傳感器的高穩(wěn)定可調(diào)諧光源系統(tǒng)，特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括探測(cè)激光器、本地激光器、第三光纖耦合器、第四光纖耦合器、第五光纖耦合器、第二光電探測(cè)器、放大器、參考晶振第一可編程計(jì)數(shù)器、第二可編程計(jì)數(shù)器、相頻檢測(cè)器、電荷泵、低通濾波器和PID控制器，上述元部件的位置關(guān)系如下由探測(cè)激光器發(fā)出的探測(cè)光束經(jīng)過第三光纖耦合器分束，其中一束探測(cè)由本系統(tǒng)的第一輸出端口輸出，由本地激光器發(fā)出的本地光束經(jīng)過第四光纖耦合器分束，其中一束本地光由本系統(tǒng)的第二輸出端口輸出，由第三光纖耦合器分束后的另一束探測(cè)光和由第四光纖耦合器分束后的另一束本地光一起進(jìn)入第五光纖耦合器進(jìn)行拍頻，并由第二光電探測(cè)器探測(cè)并轉(zhuǎn)換為拍頻電信號(hào)，第二光電探測(cè)器的輸出端經(jīng)放大器和第一可編程計(jì)數(shù)器與相頻檢測(cè)器第一輸入端相連，參考晶振經(jīng)第二可編程計(jì)數(shù)器與所述的相頻檢測(cè)器的第二輸入端相連，該相頻檢測(cè)器的兩個(gè)輸出端經(jīng)電荷泵、低通濾波器和PID控制器與所述的本地激光器的輸入端相連；所述的第二光電探測(cè)器將接收到的頻率為fb的拍頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成拍頻電信號(hào)&，該拍頻電信號(hào)&經(jīng)過放大器放大后進(jìn)入第一可編程計(jì)數(shù)器分頻后產(chǎn)生頻率為fb/N的拍頻分頻信號(hào)Ub，由參考晶振產(chǎn)生的頻率為f；的參考信號(hào)民經(jīng)過第二可編程計(jì)數(shù)器分頻后產(chǎn)生頻率為f;/R的參考分頻信號(hào)扎，所述的拍頻分頻信號(hào)Ub和參考分頻信號(hào)Ur通過相頻檢測(cè)器和電荷泵后產(chǎn)生誤差信號(hào)，該誤差信號(hào)經(jīng)過低通濾波器、PID控制器產(chǎn)生反饋控制信號(hào)輸入本地激光器，用以控制本地激光器的光頻。所述的探測(cè)激光器為窄線寬光纖激光器，所述的本地激光器為寬線寬半導(dǎo)體DFB 激光器。所述的第一可編程計(jì)數(shù)器的分頻數(shù)為N和第二可編程計(jì)數(shù)器分頻數(shù)為R，應(yīng)滿足下列關(guān)系式
權(quán)利要求
1.一種用于布里淵分布式光纖傳感器的高穩(wěn)定可調(diào)諧光源系統(tǒng)，特征在于其構(gòu)成包括探測(cè)激光器(101)、本地激光器(10 、第三光纖耦合器(10 、第四光纖耦合器(104)、第五光纖耦合器(105)、第二光電探測(cè)器(106)、放大器(107)、參考晶振(108)第一可編程計(jì)數(shù)器(109)、第二可編程計(jì)數(shù)器(110)、相頻檢測(cè)器(111)、電荷泵(112)、低通濾波器(113)和 PID控制器(114)，上述元部件的位置關(guān)系如下由探測(cè)激光器(101)發(fā)出的探測(cè)光束經(jīng)過第三光纖耦合器(10 分束，其中一束探測(cè)由本系統(tǒng)的第一輸出端口(Ia)輸出，由本地激光器(10 發(fā)出的本地光束經(jīng)過第四光纖耦合器(104)分束，其中一束本地光由本系統(tǒng)的第二輸出端口(Ib)輸出，由第三光纖耦合器(10 分束后的另一束探測(cè)光和由第四光纖耦合器(104)分束后的另一束本地光一起進(jìn)入第五光纖耦合器(10 進(jìn)行拍頻，并由第二光電探測(cè)器(106)探測(cè)，第二光電探測(cè)器 (106)的輸出端經(jīng)放大器(107)和第一可編程計(jì)數(shù)器(109)與相頻檢測(cè)器(111)第一輸入端(Illa)相連，參考晶振(108)經(jīng)第二可編程計(jì)數(shù)器(110)與所述的相頻檢測(cè)器(111)的第二輸入端(Illb)相連，該相頻檢測(cè)器(111)的兩個(gè)輸出端經(jīng)電荷泵(112)、低通濾波器 (113)和PID控制器(114)與所述的本地激光器(102)的輸入端相連；所述的第二光電探測(cè)器(106)將接收到的頻率為fb的拍頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)Steat，經(jīng)過放大器(107)放大后進(jìn)入第一可編程計(jì)數(shù)器(109)分頻后產(chǎn)生頻率為fb/N的拍頻分頻信號(hào)Ub,由參考晶振(108)產(chǎn)生的頻率為f；的參考信號(hào)民經(jīng)過第二可編程計(jì)數(shù)器(110)分頻后產(chǎn)生頻率為f;/R的參考分頻信號(hào)扎，所述的拍頻分頻信號(hào)Ub和參考分頻信號(hào)扎通過相頻檢測(cè)器(111)和電荷泵(11 后產(chǎn)生誤差信號(hào)，該誤差信號(hào)經(jīng)過低通濾波器(113)、PID控制器(114)產(chǎn)生反饋控制信號(hào)輸入本地激光器(102)，用以控制本地激光器(10 的光頻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高穩(wěn)定可調(diào)諧光源系統(tǒng)，其特征在于所述的探測(cè)激光器 (101)為窄線寬光纖激光器，所述的本地激光器(102)為寬線寬半導(dǎo)體DFB激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高穩(wěn)定可調(diào)諧光源系統(tǒng)，其特征在于所述的第一可編程計(jì)數(shù)器(109)的分頻數(shù)為R和第二可編程計(jì)數(shù)器(110)分頻數(shù)為N，應(yīng)滿足下列關(guān)系式
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高穩(wěn)定可調(diào)諧光源系統(tǒng)，其特征在于所述的相頻檢測(cè)器 (111)由第一 D觸發(fā)器(1111)、第二 D觸發(fā)器(1112)、與門(1113)和延遲器(1114)組成， 所述的相頻檢測(cè)器(111)的第一輸入端口(Illa)與第一可編程計(jì)數(shù)器(109)相連，用于接收所述的拍頻分頻信號(hào)Ub ；第二輸入端口(Illb)與第二可編程計(jì)數(shù)器(1010)相連，用于接收所述的參考分頻信號(hào)^；所述的參考分頻信號(hào)Ur和所述的拍頻分頻信號(hào)Ub分別加在第一 D觸發(fā)器(1111)和第二 D觸發(fā)器(1112)的時(shí)鐘端，第一 D觸發(fā)器(1111)的輸出端(Illc) 和第二D觸發(fā)器(1112)的輸出端(Illd)和電荷泵(112)相連，所述的第一D觸發(fā)器(1111) 的輸出端(Illc)和第二D觸發(fā)器(1112)的輸出端(Illd)接所述的與門(1113)的輸入端， 該與門(1113)的輸出端經(jīng)所述的延遲器(1114)分別與所述的第一 D觸發(fā)器(1111)的第二輸入端和第二 D觸發(fā)器(111 的第二輸入端相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高穩(wěn)定可調(diào)諧光源系統(tǒng)，其特征在于所述的電荷泵(112)在第一 D觸發(fā)器(1111)打開時(shí)，會(huì)向低通濾波器(113)提供泵電流IP，第二 D觸發(fā)器(1112)打開時(shí)，會(huì)從低通濾波器吸收泵電流IP，從而產(chǎn)生正比于兩者頻率差的誤差信號(hào)。
全文摘要
一種用于布里淵分布式光纖傳感器的高穩(wěn)定可調(diào)諧光源系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括探測(cè)激光器、本地激光器、光纖耦合器、光電探測(cè)器、放大器、可編程計(jì)數(shù)器、參考晶體振蕩器、相頻檢測(cè)器、電荷泵、低通濾波器和PID控制器。本發(fā)明在相位鎖定時(shí)，本地激光器的相位和頻率會(huì)跟隨探測(cè)激光器的變化且探測(cè)激光器是高性能窄線寬的光纖激光器，實(shí)現(xiàn)了線寬壓窄，在不損失精度和穩(wěn)定性的情況下，大大降低了成本；且在不需改變硬件的環(huán)境下，通過可編程計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)跟蹤頻率的調(diào)節(jié)。
文檔編號(hào)H01S3/10GK102544998SQ201210004119
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月6日
發(fā)明者卞正蘭, 彭交波, 蔡海文, 陳迪俊 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所